SMW工法连续墙施工技术.doc

引用 SMW工法连续墙简介  
2009-10-17 18:07:16|  分类： 默认分类 |  标签： |字号大中小 订阅
   一、SMW是Soil Mixing Wall的缩写。SMW工法连续墙于1976年在日本问世，据统计，至1993年7月，该法在日本各地施工已达1216万m2，约合800万m3,约占全日本用各种工法施工地下连续墙的50%左右。该法已在我国台湾地区以及泰国等东南亚国家和美国、法国许多地方广泛应用。
    SMW工法是日本一家中型企业--成辛工业株式会社所拥有和开发的一项专利。该工法是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进行钻掘，同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌，在各施工单元之间则采取重叠搭接施工，然后在水泥土混合体未结硬前插入H型钢或钢板作为其应力补强材，至水泥结硬，便形成一道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体。
    SMW工法最常用的是三轴型钻掘搅拌机，其中钻杆有用用于粘性土及用于砂砾土和基岩之分，此外还研制了其他一些机型，用于城市高架桥下等施工，空间受限制的场合，或海底筑墙，或软弱地基加固。
    二、SMW工法施工顺序如下：
1、导沟开挖：确定是否有障碍物及做泥水沟。
2、置放导轨。
3、设定施工标志。
4、SMW钻拌：钻掘及搅拌，重复搅拌，提升时搅拌。
5、置放应力补强材（H型钢）
6、固定应力补强材。
7、施工完成SMW.
    三、SMW工法的主要特点。
1、施工不扰动邻近土体，不会产生邻近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损及地下设施移位等危害。
2、钻杆具有螺旋推进翼与搅拌翼相间设置的特点，随着钻掘和搅拌反复进行，可使水泥系强化剂与土得到充分搅拌，而且墙体全长无接缝，从而使它可比传统的连续墙具有更可靠的止水性，其渗透系数K可达10-7cm/s。
3、它可在粘性土、粉土、砂土、砂砾土、直径100以上卵石及单轴抗压强度60MPa以下的岩层应用。
4、可成墙厚度550～1300mm,常用厚度600mm；成墙最大深度目前为65m,视地质条件尚可施工至更深。
5、所需工期较其他工法为短，在一般地质条件下，每一台班可成墙70～80m2。
6、废土外运量远比其他工法为少
四、SMW工法施工技术说明
1.水泥土搅拌
    SMW工法施工前首先进行场地平整，测量放线开挖导沟，搭建水泥棚( 水泥仓库)设置后台拌浆设备。根据现场情况铺垫路基板等安全保卫设施。以辅助线铺设导轨，桩机就位校验桩机导向架垂直度(1/200)，喷浆匀速下沉(0.3-2m/min)同时开启空气压缩机送气。钻进到达预定标高时停止下放，继续搅拌2min关闭空气压缩机，启动钻机使其反转提升,提升速度不宜太快避免产生负压影响周边环境。
    SMW 工法在施工过程中，水泥土搅拌墙的深度取决于三轴搅拌机的施工能力，如采用大型步履式或履带式桩架可使水泥土搅拌墙的施工深度达到32m，搅拌墙厚度一般为650～1000mm。三轴搅拌机有叶片式，螺旋叶片式或同时具有叶片和螺旋叶片的搅拌形式，其搅拌转速具有可选性(高速挡35～40r/min低速挡16r/min)。一般在粘性土中宜选用以叶片式为主的搅拌形式；在砂性土中宜选用以螺旋叶片式为主的搅拌形式；在砂砾性土中宜选用以螺旋叶片式为主的搅拌形式。三轴深层搅拌机能增加水泥土的搅拌次数，对水泥土搅拌墙的强度和抗渗系数有可靠的保证。水泥搅拌桩的搭接时间不宜超过24h，因故超时的搭接施工中应放慢搅拌速度以确保搭接质量。若超时过长可作冷缝处理，即在搅拌桩外側加做一幅搅拌桩，并作冷缝记录在案。
2.注浆泵及浆液配比和空压机
    注浆泵应保证其实际压力(2.8mpa以上)流量与搅拌机的喷浆钻进或喷浆提升相匹配，使水泥浆液在土体中均匀分配；钻进喷浆的工作压力比提升喷浆的工作压力要高，选择具有较高工作压力的注浆泵相当重要，其故障发生相对较少，施工效率也高。
    水泥浆液的比重要严格控制在设计范围内(1.5 - 1.8)，按钻进 喷浆占注浆总量的60─70%提升为30─40%，不允许出现断浆显现。如出现断浆应于断浆处上 下0.5 m范围内重复喷浆搅拌。拌制好的浆液因故搁置超过2h以上应作为废浆处理，严禁再用。
    空气压缩机是辅助搅拌设备，是利用压缩空气升腾的原理在搅拌机钻进时由中间钻杆端部喷出压缩空气以增加水泥土的充分搅拌。
3.质量检查及验收
    水泥土搅拌墙的质量检查分成墙监控和基坑开挖的检查验收。成墙监控包括：施工机械性能，材料质量，轴线与桩位，浆液比重，水泥掺量，试块制作与测试，型钢的规格拼接质量及施工记录。
    基坑开挖其间着重检查开挖面墙体的质量以及渗漏水情况，如不符合设计要求立即采取补救措施。(基坑开挖期间现场应准备应急材料及格设备)
4.Η型钢设置及拔除
    H型钢的弯曲及变形量要在控制范围内，型钢拼接质量标准要符合设计要求。在施工前要清除表面铁锈及灰尘，要保持型钢干燥以确保减摩剂层的粘结质量，以方便将来型钢拔除。表面涂抹减摩剂的厚度应大于1mm并涂抹均匀。型钢的插入宜在搅拌桩结束后半小时内进行，插入时采用定位导向架及经纬仪测定型钢的垂直度。型钢插入到预定标高应及时固定以防进行下一组搅拌桩施工时发生移位。型钢插入宜靠自重插入，必要时可借助带有液压钳的振动锤等辅助工具插入。
    H型钢回收应在主体结构施工及回填密实后进行,型钢拔除时根据具体情况及周边环境要求采取多种拔除形式。型钢回收在SMW工法施工技术中是相当重要的环节，须采用专用设备以顶圈梁为支点利用反座力起拔，同时要有吊车配合作业，在设计及施工过程中应充分考虑操作空间及工作面。
5．经济效益分析
    SMW工法施工具有连续施工(二十四小时施工)，成桩速度快，施工受气候条件影响小，施工效率高等特点。同比其他施工工艺工期可缩短一半以上，设备使用台班费用较低，SMW工法的另一特点是芯材可以回收(芯材回收后土体内只有20%含量的水

五、SMW工法应用的技术治理及其经济与社会价值    

    结合沿海软土地区基坑围护工程实践，由于土质较差,地下水压力较大，在围护结构施工中着重防水问题，传统的钻孔灌注桩加水泥土搅拌及地下连续墙，在施工中容易出现漏泥,漏砂,漏水，桩孔偏斜，槽壁坍塌等质量问题。因此施工效果不理想，有待改进提高，而SMW工法引进先进的搅拌设备，加上科学的施工工艺通过众多工程实践，证明是一种质量可靠，缩短工期并能在狭窄场地上安全施工的围护结构新工艺，在我国沿海软土地区软弱土层及地下水位较高的情况下具有很大的发展前景。
摘  要：常见的基坑围护形式有地下连续墙、组合排桩和SMW工法等几种。SMW工法以其经济、适用、环保等优势而越来越被广泛 应用 ，本文就SMW工法引进与创新这一建筑施工技术创新的典型探讨新技术应用 研究的重要性及其经济与社会 价值。
      SMW工法是我国建筑施工技术创新中的技术引进与创新的典型。二次世界大战后，地基处理施工 方法 得到了长足发展。继美国首先研制出水泥搅拌桩施工方法后，1971年经日本成幸株式会社改进，研制出多轴搅拌机，使得渗漏、流砂等问题得到极大程度的改观。因此应用该工法的工程逐渐增多，成为日本国内基坑围护的主要方法，约占地下围护结构的80%。该工法可适用于粘性土、砂性土以及砂砾石等地层中施工。1993年，SMW工法通过技术引进并创新在我国发展起来，并在上海静安寺“环球世界”商厦基坑围护中最先得到应用，目前该工法主要应用于我国东南沿海地区的软土深基坑围护中，并逐步向内地推广。
1、SMW工法的内容及特点
      SMW（Soil-cement Mixed Wall）工法是基于深层搅拌桩施工方法发展起来的，它通过在相互搭接的水泥土搅拌桩内插入H型钢或其他种类的受拉材料，连续并排形成地下柱列式复合挡土围护结构，从而起到防渗、支护作用。
      SMW工法作为开挖深度在6～10米的基坑围护形式，同地下连续墙、组合排桩（咬合式钻孔灌注桩或钻孔灌注桩+水泥搅拌桩隔水帷幕）等其他基坑围护形式相比，具有明显的工艺简单、造价低、节约资源、减少地下空间资源的污染以及工期短等优势，具有很大的潜在应用推广市场。
      然而，目前由于没有SMW工法基坑的设计规范和施工技术规范，造成了SMW工法的施工质量参差不齐，差异很大，有些甚至影响了基坑的安全，造成了一些事故。为此，本文通过分析SMW工法本身施工应用存在的问题，探讨新技术的应用研究的必要性及其经济与社会价值。
2、SMW工法应用存在的典型技术管理问题
2.1  忽视水泥土强度对基坑施工的影响
      SMW工法中水泥土强度低对基坑失稳可能造成的影响：在基坑开挖过程中，随着开挖深度的加深，SMW工法围护的内外压力差加大，挖到基底时达到最大，随着开挖的进行，基底以上的SMW工法水泥土暴露于空气中，强度很快可以达到设计指标，能够满足H型钢之间水泥土局部抗剪的要求。而基底下SMW工法的水泥土强度根据试验数据推断可能很低，不能够满足H型钢之间水泥土局部抗剪的要求，在巨大的内外压力差下，坑外的土体可能从H型钢之间流入基坑内，造成基坑隆起，基坑失稳。我们认为不排除这是SMW工法围护基坑失稳的一种可能，特别是在上海基坑开挖10米左右时，基底下土层一般为③3灰色淤泥质粉质粘土和④1灰色淤泥质粘土，该土层被动区土压力值非常低，而且该土层中具有明显的触变流动性。这也是SMW工法围护桩外土体通过H型钢之间流入基坑内的重要因素。因此必须对基坑内该土层进行加固，改变其土体物理力学性能，提高被动区土压力。
      然而，SMW工法理论上通常认为：水土侧压力全部由型钢单独承担，水泥土桩的作用在于抗渗止水。所以设计中受力计算一般仅考虑由H型钢独立承受作用在围护体上的力，水泥土搅拌桩体仅作为一种安全储备加以考虑。因此造成许多工程管理人员、技术人员忽视了SMW工法中水泥土强度的重要性，甚至以此为借口推脱施工中水泥土强度达不到设计指标的问题。
2.2  忽视基坑坑底加固
      目前一些业主、设计单位为了降低造价，减少了对坑底加固的设计措施，施工经验证明：采用坑底土体加固措施对采用SMW工法围护形式的基坑安全非常重要，可以起到暗撑的作用，为降低造价可采用裙边加固加抽条加固的方式。其中裙边加固对提高SMW工法整体性稳定意义很大，同时提高了基坑内侧被动区土体的抗侧压能力，对确保基坑的整体稳定和绝对安全作用重大。但目前实际施工中，地基加固的施工质量差异很大，造成较多地基加固达不到设计要求，效果不明显，因此必须加强地基加固施工作业队伍的市场准入管理和加强现场施工过程控制，确保地基加固效果的实现，提高基坑的整体稳定性。
2.3  SMW工法支护体系的设计与施工问题
    （1）SMW工法支护体系的设计问题
      根据以往的基坑施工经验，支护体系中支撑的设计至关重要，特别是首道支撑形式的选择。首道采用钢筋混凝土支撑能有效地控制基坑变形，对基坑施工的安全性能起到重大作用。最近在一些SMW工法作为围护形式的支护体系的设计中，已经有一些基坑围护的第一道支撑采用了钢筋混凝土支撑，例如：上海市轨道交通9号线虹梅路站（R409B标）工程、上海中环线五角场立交工程。
    （2）开挖过程中支撑体系施工控制问题
      在支撑体系中，围檩的刚度对整个支撑结构的刚度影响很大，但目前普遍存在对型钢围檩制作不规范、认识不足的现象，造成了一些因围檩失稳引起的基坑事故。因此设计、施工单位都必须高度重视这个问题。
3  SMW工法技术管理问题的对策
3.1  从技术和管理两方面提高SMW工法的水泥土强度
3.1.1  SMW工法水泥土强度低的原因分析
      从目前SMW工法施工中水泥土强度来看：在SMW工法设计图纸中设计会提出如下设计要求，SMW工法中水泥土28天无侧限抗压强度不小于1.2MPa。但是在实际施工中，通过采用钻孔取芯进行水泥土强度试验证明：普遍地远远达不到1.2MPa的设计要求，而且水泥土强度的离散性很大，同时呈现随深度增加强度递减的规律。某工程水泥土强度试验数据显示：最大0.10MPa，最小0.03MPa，甚至低于相应土层的土体强度。但SMW工法水泥土强度还有一个重要现象：埋在地下时，强度形成非常慢，而一旦随着基坑的开挖暴露于空气中，强度上升非常快，基本三天可以达到设计指标。
      在水泥制品中，在能够满足水泥水化反应和施工可行性的前提下，水灰比越低，强度越高，因此选择低水灰比的方案是一个施工原则。
      目前SMW工法施工时水泥浆液的水灰比一般为：1.5:1～2:1，主要考虑搅拌后的水泥土中的含水量不能太小，以便H型钢可以靠自重下沉到位。作者认为这么高的水灰比存在两点问题：第一，如此高的水灰比，势必造成水泥土强度较低；第二，在水泥土中水泥掺量一定的前提下，越高的水灰比，势必造成水泥浆液灌注量的增加，同时造成产生更多的水泥土浆液溢出，增加外溢水泥土处理成本。
      根据资料显示，日本公司在施工时，水灰比W/C为0.3~0.8，根据工程类别及土性选择使用，而且目前日本有的水泥土强度已达到了3~5MPa。
      综上所述，降低水泥浆液中水灰比是提高SMW工法中水泥土强度的一个重要因素。
3.1.2  提高水泥土强度的对策
    （1）技术手段：在采用辅助措施，能解决H型钢下沉到位的前提下，尽可能采用较低的水灰比，例如：采用振动锤辅助H型钢下沉。其次还可在水泥浆液中掺加一些外掺剂，例如膨润土等。最好的方法是通过现场试验，确定其合理的配比及其强度值。
    （2）施工管理手段：目前水泥浆液的拌制大部分采用人工拌制，对浆液的质量人为影响比较大，往往造成水泥用量的减少，水灰比过大，造成水泥土强度低，因此必须加强操作人员的素质教育和质量管理工作，最好是采用先进的自动拌浆系统，减少人为因素的影响，例如：上海隧道股份注浆公司研制的Z－20自动拌浆系统就很好，水泥浆液拌制质量稳定可靠。
3.2  确保开挖过程中的基坑稳定
      施工单位应根据设计对基坑开挖提出的参数和挖土和支撑施工方案，运用“时空效应” 理论，采用分段、分层、平衡、对称的开挖方式，快挖快撑，在限定的时间内和限定的空间内完成开挖及支撑，做到不超时、不超挖。
3.3  改善围檩的设计与施工
      首先设计单位在设计时应对围檩型钢原材料、围檩杆件的加强和焊接制作工艺提出具体的设计要求，例如：双拼型钢的规格型号、双拼型钢之间的焊接要求、双拼型钢焊接后两侧加劲板和型钢腹板处加劲板的具体布置要求、相邻两节围檩接头之间的构造要求等等；在施工过程中，施工单位要严格按照设计图纸采购材料和加工制作钢围檩。建议实现钢围檩的标准化、规范化。
      通常钢围檩与SMW工法围护桩H型钢之间的缝隙用快硬细石混凝土填实，待达到强度时，支撑才能施加预应力。目前还有一种较好的工艺，为了保证支撑及时施加预应力，先在钢围檩与H型钢之间的缝隙安放一些铁垫块，施加完预应力后在缝隙间及时填筑细石混凝土。
3.4  加强监测，做到信息化施工
      加强监测监控，做到信息化施工是保证基坑工程安全施工的重要手段。施工单位项目经理、技术负责人要高度重视并认真分析每日的监测数据报表，通过对地下水位、地表沉降、围护体位移、支撑轴力等参数的监测，及时根据特征参数的变化，调整施工参数，控制支撑的间排距、支撑轴力的大小、开挖的坡度等，以确保基坑的变形始终处于受控状态，将基坑失稳事故消灭在萌芽中。另外建议监测单位在做好日常监测数据报表外，还应对监测数据变化的原因，从监测单位角度做出必要的分析。对于超过报警值的，及时通知总包管理人员。施工管理人员还必须深入施工现场加强全面的检查，主要为：钢围檩是否有局部受损变形的情况、个别钢支撑是否有松开脱落的可能、SMW工法水泥土桩体是否有局部渗漏及局部松动等现象，对于发现的问题及时采取措施，避免事故发生。
4  SMW工法的经济与社会价值
4.1  降低施工成本，增强企业竞争力
      尽管目前SMW工法在应用中还存在上述的各种问题和值得关注的焦点，但是作为一项推广应用的新技术而言，在满足工程技术要求的前提下，选用SMW工法作为围护结构，具有地下连续墙和钻孔灌注桩加隔水帷幕作为围护结构不可比拟的优势。因此作为投资方、设计方在经过技术经济论证比较后，一般会优先选用SMW工法作为围护结构。因此作为施工企业就必须加强SMW工法的施工管理和技术创新工作，树立在SMW工法施工方面的品牌效应，提高企业在竞标方面的竞争力。
4.2  适应于建设节约型社会和发展循环经济需要
      随着国家经济的高速发展，资源和能源问题正成为制约增长的主要问题，因此国务院及时提出了建设节约型社会和发展循环经济的政策。针对土建施工行业实现上述目标，主要的方法为：争取在施工中使用能周转的施工材料和采用保证施工材料能重复使用的施工工艺，实现循环使用，提高资源利用率，尽量减少采用一次性材料消耗的施工工艺。SMW工法的H型钢可以重复使用，一般至少可使用四次以上。而在地下连续墙和钻孔灌注桩作为围护的施工工艺中，使用了大量的钢筋，而不能回收重复利用，造成了极大钢铁资源的消耗。我国目前已经成为世界上钢铁产量和消耗第一大国，而且我国的钢铁对外依赖度很高，主要体现在铁矿石资源上的紧缺，大部分需要进口。因此须尽量采用像SMW工法这样能降低钢铁等资源消耗的施工工艺。
4.3  减少地下空间资源污染
      随着地铁车站、地下市政道路、地下变电站及地下商场等地下空间的开发利用，作为施工期间的围护结构大部分永久性的埋在了地下，在上海根据设计规范计算，围护结构的插入比在1：0.8~1：1.1之间，因此该地下建筑物底板下面相当于该建筑物的深度的地下空间资源受到了原围护结构的污染，给后面底板下地下资源的开发造成了极大困难。例如：目前为施工地铁7号线静安寺站工程北端头井，必须拔除10根左右原来作为围护结构的?1000mm钻孔灌注桩(深度25m左右)，每根桩的自重达52吨之多，拔除的施工难度极大。类似这样原来的围护结构影响后续地下空间资源开发的情况还有很多。而如果采用SMW工法作为围护结构，就不会产生如此问题，目前在我国SMW工法中H型钢大部分都拔除回收。虽然在日本SMW工法作为围护结构时，H型钢大部分不拔除，同样会造成地下空间资源污染的问题，但是我们中国土木工程师们应该在研究和消化吸收日本成功的SMW工法工艺上，通过创新，研究出更好的施工方法和施工工艺。
4.4  有助于环境保护
      首先，在选用地下连续墙或钻孔灌注桩作为围护结构时，施工中会产生大量的废弃泥浆，由于该泥浆中PH值高，不符合环境保护规定，因此必须采取措施进行处理，除增加工程费用外，如处理不当，还会造成新的环境污染。而选用SMW工法作为围护结构虽然在施工过程中也产生需废弃的水泥土浆液，但不会污染环境，而且若处理得当，还可作为较好的地基填料；另外，在选用地下连续墙或钻孔灌注桩作为围护结构时，若施工不当，会产生槽壁、钻孔坍塌事故，轻则引起相邻地面沉降，重则危害临近建筑物和地下管线的安全，影响周围环境的安全，而目前SMW工法作为围护结构尚未发生该类事故。
5  结论与建议
    （1）SMW工法引进我国已有十几年，尽管由于客观、主观的一些因素造成了少数工程事故，但总的来说，SMW工法作为开挖深度在6~10米的基坑围护形式是成功的，希望工程参与各方加强施工过程质量控制，杜绝工程事故发生。
    （2）作为建筑施工技术创新的成果，在新技术的实际应用中必须将其融入到其他相关技术中，有效实现系统创新，才能确保技术的可建造性以及产业化的经济效益。
    （3）SMW工法是符合建设节约性社会和发展循环经济这一国家政策的良好基坑围护形式，具有独特的优势，值得大力推广。
    （4）呼吁建设管理部门组织科研人员、设计人员、工程技术人员进一步加强SMW工法的理论完善工作和施工工艺的创新工作，使该工法在我国具有更大的使用空间，为地下空间资源的开发做出更大贡献。
    （5）呼吁建设管理部门组织相关单位和技术人员加快完善SMW工法的设计规范和施工规范的编制工作，使SMW工法的应用更加规范，施工质量更加可靠。
      我们相信随着SMW工法理论的完善和施工的创新发展，SMW工法会凭借其独特的优势在沿海软土地区的地下空间资源开发中发挥更大作用。